周思捷，張海勇，徐 池

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

基于 ITS 與 W6ELProp 模型的短波頻率預(yù)測方法及應(yīng)用研究

周思捷，張海勇，徐 池

(海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

頻率預(yù)測技術(shù)的出現(xiàn)為通信鏈路的選頻提供了依據(jù)，然而傳統(tǒng)的頻率預(yù)測模型需要通過復(fù)雜的鏈路計算對短波通信頻率進行預(yù)測。在解決鏈路的選頻問題上，基于 ITS 與 W6ELProp 模型的預(yù)測方法省去了人工計算過程，實現(xiàn)選頻過程的程序化。本文在分析傳統(tǒng)預(yù)測方法適用性的基礎(chǔ)上，結(jié)合仿真結(jié)果，進行 ITS 與 W6ELProp模型在應(yīng)用方面的研究。對短波通信保障具有參考價值。

選頻；頻率預(yù)測技術(shù)；預(yù)測模型

0 引 言

短波天波傳播利用電離層折射的方式可以完成遠距離通信，但由于電離層這一媒介具有時變色散的特點，傳播過程中的時延散布、路徑損耗、干擾以及噪聲都隨著時間、地點和天文氣象不斷變化，這些因素和限制給通信鏈路的選頻造成了很大困難。在短波通信中，對于工作頻率的選擇非常嚴(yán)格，正確的選頻是建立通信鏈路的關(guān)鍵因素，不恰當(dāng)?shù)剡x頻不但嚴(yán)重影響通信的質(zhì)量并且無法及時建立正常的通信鏈路；若工作頻率選的高于最高可用頻率（MUF），大部分電波能量將穿透電離層；若工作頻率選的低于最低可用頻率（LUF），大部分電波能量將被電離層吸收。隨著短波技術(shù)不斷發(fā)展，對選頻的高效性以及準(zhǔn)確性也提出了更高的要求。頻率預(yù)測技術(shù)的出現(xiàn)能夠提前預(yù)測電離層情況，為信道預(yù)置提供了依據(jù)，然而傳統(tǒng)的預(yù)測手段在鏈路計算方面耗時耗力。頻率預(yù)測軟件將原本復(fù)雜繁瑣的鏈路計算簡單化、程序化[1]，省去了人工計算的過程，減少了建立通信鏈路時的選頻時間，在一定程度上提高了短波通信設(shè)備在戰(zhàn)時的快速響應(yīng)能力。

1 短波頻率預(yù)測方法概述

頻率預(yù)測的實現(xiàn)原理一般是通過構(gòu)建信道相關(guān)參數(shù)模型，結(jié)合數(shù)學(xué)算法和長期總結(jié)出的規(guī)律實現(xiàn)頻率優(yōu)選。根據(jù)預(yù)測的時效性不同，頻率預(yù)測一般分為長期預(yù)測、中期預(yù)測以及短期預(yù)測。頻率預(yù)測技術(shù)保證了建立通信鏈路的有效性和可靠性，同時也為區(qū)域內(nèi)的頻率管理創(chuàng)造了先決條件[2]。頻率預(yù)測技術(shù)在一定程度上解決了選頻難的問題，這一措施為通信組織者恰當(dāng)?shù)貫楦鳁l通信鏈路分配最佳可用頻率提供輔助信息。

1.1 傳統(tǒng)短波頻率預(yù)測方法

傳統(tǒng)短波頻率預(yù)測方法主要有 2 種，即 CCIR 推薦方法（340 報告）以及中國電波傳播研究所提出的亞大預(yù)測方法[3]。下面將對比兩者在頻率預(yù)測中的適用性。

1）二者的實質(zhì)就是根據(jù)長期的歷史底層數(shù)據(jù)來進行中長期的電離層參數(shù)預(yù)測。“340報告”只用了一些觀測站 1954 ～ 1958 年的數(shù)據(jù)，只在少部分沒有這幾年數(shù)據(jù)的區(qū)域才使用其他年份的數(shù)據(jù)補充，僅結(jié)合這些數(shù)據(jù)進行頻率預(yù)測顯然無法得到精確的預(yù)測結(jié)果。而亞大方法依據(jù)國內(nèi)外共 39 個觀測站給出的數(shù)據(jù)進行頻率預(yù)測，預(yù)測精度得到保證。

2）“340 報告”是由國際電信聯(lián)盟推薦，適合在全球范圍內(nèi)對電離層參量進行預(yù)測的方法。亞大方法預(yù)測的依據(jù)是亞大地區(qū)（包括大洋洲、亞洲、太平洋和印度洋的部分海域，東經(jīng) 60° ～ 150°，北緯 65° ～ 南緯 40°）多個電離層觀測站多年積累的該地區(qū)電離層的歷史觀測數(shù)據(jù)，因此其適用范圍有一定的局限性，4 000 km以上的遠距離通信，需要經(jīng)過電離層的多次跳變，現(xiàn)有方法對于多跳、多模式不適用或者精度低。

3）在預(yù)測電離層某參量時，“340 報告”需要輸入 2 858 個數(shù)據(jù)，“亞大預(yù)測”需要輸入 1 200 個數(shù)據(jù)。這個工作量很大，不易于決策者快速建立短波通信鏈路，并且其中引入的人為因素較多，對預(yù)測的精確度也有較大影響。

總體而言，2 種傳統(tǒng)預(yù)測方法的預(yù)測精度有限，適用范圍有限，并且工作量較大，無法滿足目前遠距離通信的需求。

1.2 基于現(xiàn)代算法的頻率預(yù)測方法

隨著信息化的不斷推進，對短波通信保障的要求也越來越高。傳統(tǒng)的預(yù)測方法已經(jīng)難以勝任保障遠程通信的任務(wù)。因此，國外學(xué)者結(jié)合現(xiàn)代算法對頻率預(yù)測方法進行了大量研究。較為典型的有：

1）基于 Lyapunov 指數(shù)的混沌預(yù)測方法：該方法的原理是基于短波通信最高可用頻率的混沌特性，利用混沌理論對其進行短期預(yù)測[4]；

2）電離層同化短期預(yù)報方法：該方法提出了一種基于卡爾曼同化技術(shù)的電離層特征參數(shù)短期預(yù)報方法，為短波頻率的預(yù)測提供精度較高的電離層參量[5];

3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的短波頻率預(yù)測方法：近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在短波頻率預(yù)測方面取得了較好的效果。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元之間的傳輸函數(shù)是一個非線性函數(shù)，通過隱藏層以及輸入輸出層之間的非線性關(guān)系，它可以很好地逼近一個非線性過程[2]，這一特點正好契合電離層信道的時變色散性。利用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)能顯示出電離層的一般變化趨勢，省去了復(fù)雜的電離層方程。結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法不需要對電離層做出任何人為假定，較傳統(tǒng)預(yù)測方法預(yù)測精度也有所提高，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦訓(xùn)練完成，不易調(diào)整，也有很多基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新理論、新方法一經(jīng)提出，便束之高閣，難以工程化?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測方法很難適用于信道起伏特性較大的遠距離通信保障，從工程上也難以實現(xiàn)較完整的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

總體而言，傳統(tǒng)的短波頻率預(yù)測模型與基于現(xiàn)代算法的頻率預(yù)測方法在一定程度上都提高了建立通信鏈路的效率，但都存在著各自的不足：傳統(tǒng)的短波頻率預(yù)測方法工作量大，引入了人為因素，無法保證預(yù)測精度；而基于現(xiàn)代算法的短波頻率預(yù)測方法雖然在預(yù)測精度上有所提高，但仍然存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易工程實現(xiàn)等問題。在實際運用中，這兩類頻率預(yù)測方法適用性都有局限，將頻率管理智能化和簡單化已然成為目前短波通信中亟需解決的問題，而頻率預(yù)測軟件的問世實現(xiàn)了頻率預(yù)測程序化，既沒有人為的干擾因素，也不存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜不易工程實現(xiàn)等問題。

2 ITS 與 W6ELProp 模型及應(yīng)用介紹

目前常用的 2 款頻率預(yù)測模型分別是由美國 Institute for Telecommunication Science 開發(fā)的 ITS，以及由Sheldon C.Shallon 發(fā)布在國際業(yè)余無線電聯(lián)盟 IARU 網(wǎng)站的 W6ELProp?；谶@ 2 個模型的預(yù)測方法都能預(yù)報2～30 MHz 頻段內(nèi)短波通信性能，它們的可靠性已經(jīng)在實際運用中得到證明。下面將分別介紹 2 個模型在應(yīng)用中的優(yōu)點：

1）ITS 模型。以該模型為基礎(chǔ)開發(fā)的預(yù)測軟件依據(jù)短波信道傳播特性來進行短波通信鏈路規(guī)劃，并且可以做到提前 1 個月甚至更長時間預(yù)測出短波的傳播

模式、鏈路的最高可用頻率以及接收點信號強度等參數(shù)的月中值，預(yù)測結(jié)果顯示在電子地圖上，更方便使用者擬定頻率規(guī)劃方案。根據(jù)通信保障的質(zhì)量要求，根據(jù)這些信道參數(shù)和數(shù)據(jù)的月中值，又可以對整個鏈路的系統(tǒng)性能參數(shù)進行估算，包括天線增益、天線發(fā)射功率等。在通信鏈路能力已定的情況下，可以得到該信道的最高可用頻率，根據(jù)最高可用頻率通?？梢源_定最佳工作頻率。對于一般的通信鏈路而言，最佳工作頻率通常選為最高可用頻率的 80%～90%。相對于傳統(tǒng)的短波頻率預(yù)測方法，這一手段不僅能得到精確度較高的結(jié)果，并且也省去了復(fù)雜的鏈路計算，被廣泛應(yīng)用于短波通信電路的設(shè)計。

2）W6ELProp 模型。該模型的研發(fā)者 Sheldon C.Shallon 以實際的無線電電磁環(huán)境為基礎(chǔ)，建立了這款電波傳播的預(yù)測模型。該模型算法考慮了大部分天文現(xiàn)象對短波通信的影響，如：太陽黑子數(shù)和 K 指數(shù)（K 指數(shù)反映了前 3 h 的地磁條件，取值在 0～9 之間）。以 W6ELProp 模型為基礎(chǔ)開發(fā)的預(yù)測軟件最顯著的一個特點是它允許使用者通過輸入經(jīng)緯度，任意指定一個通信端點，輸入當(dāng)天的 K 指數(shù)和太陽黑子數(shù)(這 2 個參數(shù)分別可以在文獻[6]和文獻[7]上查到，并且每天都有更新)，就可以得到該通信端點與地球上任意一點任意時刻的 Frequency Map（頻率圖）[8]，從頻率圖上，可以得到此時此刻的最高可用頻率。這里需要注意的是，圖上的最高可用頻率都隨時間一直發(fā)生變化，在保障通信時選定最佳通信頻率也需要隨時間變化作出相應(yīng)調(diào)整。

3 仿真分析

以 ITS 和 W6ELProp 模型開發(fā)的預(yù)測軟件為仿真平臺，分別預(yù)測 2011 年 8 月 19 日 A 地（N36.4、E116.2）和 B 地（N26.3、E109.2）之間的通信頻率，分析 ITS 與 W6ELProp 模型在實際應(yīng)用中的適用性。通過互聯(lián)網(wǎng)查得 8 月 19 日前后幾日的太陽黑子數(shù)和 K指數(shù)，如表 1 所示。

3.1 基于 ITS 模型的頻率預(yù)測

利用 ITS 軟件包中的 REC533 模塊對 A、B 兩地的短波可用頻段進行預(yù)測，REC533 的用戶界面如圖 1 所示。

其參數(shù)設(shè)置：年（Year）、月（Month）、太陽黑子數(shù)（SSN）、干擾噪聲（Noise）、最小發(fā)射角（Min Angle）、信道可靠度（Req.Rel）、信噪比（Req.SNR）、帶寬（Bandwidth）等參數(shù)如表 2 所示。

剩余的參數(shù)設(shè)置依照系統(tǒng)設(shè)置的缺省值。參考頻率為 6.075，7.200，9.700，11.850，13.700，15.350，17.725，21.650 和 25.885（MHz）。運行 REC533，得到如圖 2 所示結(jié)果。

表1 太陽黑子數(shù)及 K 指數(shù)一覽表Tab.1 Sunspot number and K index list

圖1 REC533 軟件的用戶界面Fig.1 The user interface of the REC533 software

表2 REC533 參數(shù)設(shè)置Tab.2 REC533 parameter settings

圖2 A、B 兩地間不同時段的可用頻率圖Fig.2 REC533 parameter settings

從圖可看出，信噪比大于 70 dB 的，都為可選用頻率。圖中的 2 根粗黑線分別給出了當(dāng)天最高可用頻率和最低可用頻率的趨勢。從圖中還可看出，在 00:00 ～

16:00（UT）與 21:00 ～ 24:00（UT）時間段內(nèi)，MUF 與LUF 之間存在白色區(qū)域，說明在這 2 個時間段內(nèi)，電離層變化較平緩，可以獲得較好的通信質(zhì)量。在選用最佳通信頻率時，通常選最高可用頻率的 80%～90%。以 12:00（UT）為例，此時的 MUF 是 14.45 MHz，則選定的最佳通信頻率為 12.28 MHz。下一步將利用REC533 來驗證該頻率是否適合用于保障通信。

參數(shù)設(shè)置只需要將頻率設(shè)置改為 12.28 MHz，其余參數(shù)不變，得到如圖 3 所示結(jié)果。從圖中可以直觀地看到，該頻率點時間與信噪比的關(guān)系曲線圖：深色區(qū)域表示傳播模式為 1F2；淺色區(qū)域表示傳播模式為1E。在 19 日當(dāng)天，頻率 12.28 MHz 的信噪比最高為100.15 dB，最低為 72.65 dB，符合所設(shè)置信噪比要求。因此，可以選擇 12.28 MHz 作為 A、B 兩地間的通信頻率。

圖3 12.28 MHz 頻率的時間-信噪比圖Fig.3 Available frequency graphs for different time periods between A and B

3.2 基于 W6ELProp 模型的頻率預(yù)測

W6ELProp 軟件的用戶界面如圖 4 所示。

圖4 W6ELProp 軟件的參數(shù)設(shè)置界面Fig.4 W6ELProp software parameter setting interface

參數(shù)設(shè)置如下：A 地的經(jīng)緯度（N36.4、E116.2），日期 2011 年 8 月 19 日，時間 1 200（UT），太陽黑子數(shù)為 31，K 指數(shù)為 2，其余參數(shù)采用系統(tǒng)設(shè)置的缺省值，得到如圖 5 所示的結(jié)果。

從圖中可以很清楚地獲得 2011 年 8 月 11 日地球上任意一點在 12：00（UT）與 A 地的短波通信鏈路的最高可用頻率。利用該軟件，使用者可以準(zhǔn)確地獲得任意一點在不同時間與 A 站之間通信鏈路的最高可用頻率，省去了大量的鏈路計算時間，提高了建立通信鏈路時選頻的效率。從圖中可以看出，B 地（N26.3、E109.2）所在的區(qū)域在 12：00（UT）的 MUF 是 14.2 MHz，這與之前基于 ITS 模型的預(yù)測結(jié)果 14.45 MHZ 基本吻合（其中存在的差異是由 2 款軟件中系統(tǒng)默認(rèn)的噪聲類型以及天線類型不同造成的）。通過以上對仿真的分析，可以得出以下結(jié)論：

圖5 W6ELProp 軟件預(yù)測結(jié)果Fig.5 W6ELProp software forecast results

1）基于 ITS 與 W6ELProp 模型的頻率預(yù)測軟件將復(fù)雜的鏈路計算簡單化、程序化，節(jié)約了大量時間，并且沒有任何人為因素的影響，可以獲得較為精確的結(jié)果；

2）基于 ITS 模型的預(yù)測方法將固定臺站的通信鏈路之間各頻點的參數(shù)以圖形的方式表現(xiàn)出來，將參數(shù)隨時間變化的趨勢非常直觀地展示給用戶，適用于詳細(xì)地制定和修改通信計劃；

3）基于 W6ELProp 模型的預(yù)測方法適用于移動通信站與固定臺站之間的通信，能實時預(yù)測出全球各地與固定臺站通信鏈路之間的可用頻率，適用于海上通信保障。

4）基于 ITS 模型的預(yù)測方法將 2 個固定臺站之間通信鏈路的最高可用頻率（MUF）、輻射角（ANGL）、接收機信號強度中值（DBU）、接收機信號功率中值（dBpW）、信噪比（S/N）等電離層參數(shù)以及系統(tǒng)參數(shù)與時間的關(guān)系直觀地展現(xiàn)出來，為制定中長期的通信計劃提供依據(jù)。但 ITS 軟件對輸入的系統(tǒng)參數(shù)要求比較苛刻，在缺失某項參數(shù)時，無法精確地完成預(yù)測。并且當(dāng)接收端發(fā)生變化時，需要重新輸入地理位置，重新進行頻率預(yù)測。相比之下，基于W6ELProp 模型的預(yù)測方法雖然功能較單一，只能完成簡單地預(yù)測工作，但對系統(tǒng)輸入?yún)?shù)的要求很低并且能實現(xiàn)移動通信站與固定臺站間的實時選頻，對保障

海上目標(biāo)與岸基之間的通信具有重要參考價值。

5）在通信設(shè)備條件允許的情況下，如岸基與岸基之間、岸基與島礁之間的通信，使用 ITS 模型預(yù)測可以獲得非常詳細(xì)的信道參數(shù)、傳播模式以及系統(tǒng)的性能參數(shù)等指標(biāo)，為研究信道參數(shù)以及通信設(shè)備對通信頻率的影響提供數(shù)據(jù)支撐。而在通信條件有限的情況下，如：艦艇與岸基之間的通信。凸顯出 W6ELProp模型的優(yōu)勢：實時地頻率預(yù)測不依賴詳細(xì)的輸入?yún)?shù)。W6ELProp 模型為海上短波通信保障提供了另一條途徑。

4 結(jié) 語

從以上分析可知，結(jié)合 ITS 與 W6ELProp 模型來進行電離層參數(shù)的預(yù)測，進而實現(xiàn)對短波通信頻率的定頻預(yù)測，這一舉措有效解決了傳統(tǒng)預(yù)測方法存在的耗時長問題。ITS 與 W6ELProp 模型不斷修正電離層模型，具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。利用 ITS 與 W6ELProp 模型能省去冗長的鏈路計算，提高通信設(shè)備的快速反應(yīng)能力，這在建立通信鏈路的過程中不失為一種好途徑。

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Based on the ITS and W6ELProp model HF feruencies prediction method and application research

ZHOU Si-jie, ZHANG Hai-yong, XU Chi
(Department of Information and Communication Engineering, Dalian Navy Academy, Dalian 116018, China)

The emergence of frequency prediction technology provides the communication link of frequency selective basis, however, the frequency of the traditional forecast model need to be calculated by complex link to forecast the HFcommunication frequency.To deal with the problem of link of frequency selective, based on the ITS and W6ELProp model to predict the method saves the process of artificial calculation, which realized the programmed in the process of frequency selective.The paper analyzes the applicability of the traditional forecast methods.Then it combined with the simulation results and did the research of the application of the ITS and W6ELProp model, which has reference value to the HF communication support.

frequency selection；frequency predicition technology；predicition model

TN917

A

1672 – 7619(2016)11 – 0143 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.011.030

2016 – 03 – 30；

2016 – 05 – 16

周思捷(1992 – )，男，碩士研究生，研究方向為通信系統(tǒng)分析與應(yīng)用。